隨著信息技術的發展和制造業信息化工程實施的深入，企業對計算機輔助工藝過程設計(Computer aided Process Planning CAPP)系統的全局優化能力及柔性應用要求越來越高,無論是手工編制工藝還是采用傳統CAPP系統，在工藝設計階段生成的是單一、剛性的工藝路線，由于未能有效地考慮車間設備瓶頸、材料短缺、其他任務占用及設備故障等隨機動態情況，將造成加工等待，甚至無法加工，使工藝路線不得不重新修改或使某些資源重復選用，而另外一些資源卻很少利用，因此，缺乏柔性的工藝難以支持生產調度系統做出全局優化的加工進度安排和作業調度。

為解決上述問題，企業需建立適合制造企業實際情況的集成化CAPP系統，要求CAPP不僅要實現產品零部件工藝過程的設計，同時要實現柔性的工藝表達、相關零件和工藝信息的查詢、統計和修改，以保證數據的一致性和更改的靈活性，滿足工藝信息管理的集成性要求。集成化的CAPP系統不僅可把工藝設計人員及工藝管理人員從大量的重復勞動中解放出來，還可通過與其它單元技術如企業資源計劃系統(Enterprise Resource Planning ERP)和制造執行系統(Manufacturing Execution Systems MES)等實現信息集成，避免零部件及其工藝信息多次在工藝及制造執行系統中輸人而可能產生的信息錯誤，從而實現工藝與設計，工藝與制造的全面集成。

本文提出了一種面向制造執行的工藝過程模型，以該模型為核心，建立了集工藝設計與工藝管理為一體的面向產品及管理的制造工藝信息集成系統，系統綜合檢索、變異和實例推理等混合決策技術，覆蓋企業中典型零部件的工藝設計，實現了工藝設計與工藝管理的計算機化和信息化，同時實現產品工藝信息與MES系統的全面集成。

工藝過程模型的建立及表達方法針對企業信息化發展的實際需求，本文以過程集成為中心提出面向制造執行的工藝過程模型，本模型通過多工藝路線的可視化表達與統一工藝過程信息來解決MES車間柔性調度及CAPP與MES工藝過程信息表達不一致等集成問題。面向制造執行的工藝過程模型與CAPP、ERP和MES等系統間的關系如圖1所示。

1. 1零件加工的多工藝路線

在生產實際中，一個零件的加工常常可以通過多種工藝過程實現，即1個零件可以有多條加工工藝路線。多工藝路線的不同之處在于工序數量的不同、工序順序的不同以及加工資源的可替換性等等。事實上，多工藝路線是零件加工的一個本質特征，但目前常用的CAPP系統很少考慮到多種可行工藝路線的生成，對于每一個加工零件只提供單一的加工工藝路線，產生工藝路線的方法未考慮設備故障、生產任務堵塞等動態因素，較好的情況是僅考慮了部分生產調度的靜態因素，很大程度上限制了零件工藝表達的柔性，因此如何建立靈活關聯的零件多工藝路線以滿足加工車間生產調度的柔性是解決CAPP/MES全面集成的關鍵。本文提出了基于工藝過程模型的工藝設計方法，實現了在CAPP中多工藝路線自由設計的同時滿足MES的車間柔性調度。

1. 2統一工藝過程信息

許多制造工程和企業應用軟件都要使用過程模型，包括生產調度、工藝規劃、工作流、企業經營過程重組、仿真、過程建模和項目管理，其中的每一個應用都有其相應的表達過程模型的方法，在開發一種用于交換過程信息的標準時，遇到的主要困難是些不同的應用過程賦予相同術語的意思各不相同。因此，如何解決過程信息集成是產品數據集成問題之后面臨的又一難題，本文提出的統一工藝過程信息主要從以下3個方面出發。

1) 充分的產品工藝數據

充分的產品工藝數據是保證工藝信息管理取得良好實際使用效果的前提。CAPP系統不僅要實現零部件工藝方法的設計，同時要生成與零部件工藝過程相關的大量工藝數據，保證產品工藝數據的完整性，是實現產品工藝信息集成與共享的必要條件。

2)工藝數據的結構化表達

過程信息的結構化表達程度是衡量企業信息化實施成功與否的指標之一。CAPP系統在進行大量工藝數據設計與管理的同時，又要考慮到與其他單元技術的過程數據集成，數據表達的結構化是保證CAPP/MES全面集成的基本要素。

3)工藝數據的一致性

為了便于工藝數據的維護，避免在多個系統中進行工藝數據的重復修改，造成數據維護的混亂，工藝基礎數據的統一維護及各個系統間工藝數據的一致性是解決此問題的關鍵因素。

2多工藝路線的表達及其建立方法

2. 1多工藝路線表達中注意的問題

傳統的CAPP系統的功能是為每個待加工零件生成一個優化的加工工藝路線，在實際制造系統中實施時往往出現問題，因此在進行多工藝路線表達時要充分考慮以下問題。

1)工藝路線優化需針對同一批多種零件，以促進生產計劃及調度系統(PPS) (Production Planping and Scheduling)的全局優化。

2)充分考慮零件工藝路線中與工序順序無關及可替代工序等車間調度靜態因素，確保車間調度的柔性與零件加工的最優化。

3)生成加工工藝時應考慮車間層資源的使用瓶頸和隨機故障等動態狀況，避免造成加工等待，甚至無法加工等情況。

設計和開發可生成多工藝路線的CAPP系統是實現工藝設計與生產規劃功能集成、解決工藝計劃與實際生產脫節問題的有效途徑。因此也是當前的研究熱點。

2.2多工藝路線中工序關系的表達方法

2.2.1固定加工順序表達法

通常生產調度中存在的多條工藝路線是相互獨立的，彼此之間沒有加工上的邏輯關系，僅作為加工生產中主要工藝路線的候補工藝，使用的零件工藝文件格式見圖2。

圖2 固定加工順序的工藝文件格式

該方法的優點是表達方式簡單明了，缺點是限制了加工的自由度及柔性，使得加工只能嚴格按給定的工藝順序進行，從而限制了柔性加工系統最優指標的實現，該方法對單機加工或JO&SHOP生產較合適。

2.2.2與或工序的描述

為了適應生產調度柔性的特點，零件工藝描述必須既能反映零件的所有加工特征，又能反映出加工工序之間的約束關系，同時還能表示出加工工序的可替代性。本文采用多工藝網絡圖來表達零件工序間的約束關系，圖3所示為一典型階梯軸零件的示意圖，分析零件的所有加工特征，可以總結出各工序加工的約束關系，并繪制出典型軸零件的多工藝網絡圖，如圖4所示。

圖4 多工藝線路模型

圖4中，長方框表示工序節點，其中C1004或X2073表示所使用的機床設備的編碼，車間調度時可任意選擇工序節點下的一個設備作為加工設備，以避免資源瓶頸和隨機故障造成的加工等待，從而增加車間調度的柔性及加工效率;圓圈節點表示工序的關系，可以是"與"關系(And)，表示一條工藝路線中可并行進行的工序，這些工序前后順序可調，也可同時加工."或"關系(}r)表示可行的工藝路線及工序，可選擇任意一條作為加工路線的工序。"合并"(Join)代表上個與或關系的結點，用來標識工序關系的結束;箭頭線表示工序間的相鄰關系，可以根據箭頭線確定工序的前道工序與后道工序。

這里提出的零件多工藝路線僅提供零件的工序、可替代工序及工序加工順序之間的約束關系，至于實際生產中具體選擇什么樣的加工順序、每道工序中選擇哪一個可替代工序則完全由實際生產中的資源狀態、零件本身的加工情況以及用戶的具體要求進行選擇，零件的具體加工工藝路線不需要事先確定，待零件加工完成后才確定具體的工藝路線，并且相同類型的零件可能有不同的工藝路線，零件的具體加工工藝是在實際加工中根據系統的狀態及加工性能指標動態重組而成。

多工藝路線網絡圖可清楚地反映出各個工藝路線及其之間的關系，通過網絡圖可以全面地表達制造信息模型中多工藝路線的邏輯順序關系，解決了生產計劃與調度的實際應用問題，為CAPP/MES的全面集成奠定了堅實的技術基礎。

2. 3多工藝路線的建立與表達

過程建模是一個領域專家對其熟悉的過程或系統的運行知識確切清楚的描述。它可以是以過程為中心的視圖，著眼于過程的出現及其次序，有時，為了便于組織場景的描述，還采用以對象為中心的視圖，它更集中注意于參與活動的對象。過程建模是結構化建模的主要技術，通過過程模型的建立，明確回答系統要"怎么做"。為了解決不同系統中對于工藝過程信息表達術語不一致的問題，采用過程規范語言(Process Specification Language)來統一過程信息的術語，力求實現不同系統間的過程信息集成。

2.3.1過程規范語言

過程規范語言(PSL)是美國國家標準技術研究所(NIST)在綜合以前26種過程描述語言的基礎上，提出了基于本體論的新一代過程描述規范語言，主要是為了解決應用軟件溝通和"信息孤島"問題，PSL的目的就是為過程的描述創造一種標準的建模語言，從而為在制造全生命周期中的多個與具體應用相關過程的集成建立一種中間的描述語言。PSL采用知識交換格(Knowledge Interchange Format KIF)中性文件作為信息傳遞媒介，并且已經發布了用XML語言的PSL文本，對研究和建立過程描述模型有重要的指導作用.

2. 3.2過程信息模型的建立與多工藝路線的表達

基于PSL的規范性，本文在PSL基礎上對產品的過程信息模型進行定義。對于生產過程中的每一個活動Activity(即圖3中每個結點所代表的工序)，過程信息包括活動的基本屬性信息和關聯信息，基本屬性信息是指不與其他活動干涉的活動本身的屬性信息;關聯信息是指為了定位活動本身在工藝路線中的位置及活動間的關系而必需的屬性信息，例如工序間的邏輯關系和加工順序等，如圖5所示。

圖5 單個加工活動的工藝過程信息模型

由圖5可以看出，單個加工活動的工藝過程信息模型由基本屬性信息及順序關系、邏輯關系、資源選擇和物料表達等4個關聯信息組成，通過5個部分的信息描述可以完整表達工藝路線中單個加工活動的工藝過程信息，下面就每個部分所描述的加工活動信息從不同側面加以分析。

模型的基本屬性，包括活動的ID、名稱、類型及加工時間等靜態屬性信息，旨在描述工序活動的基本內容，指導車間的正常生產加工。資源主要指工序中為了完成加工所需要的設備和工裝，采用可替代資源(Replace)的方法來解決車間資源的優化調度與資源瓶頸問題。

工序間的順序關系，旨在解決工藝路線中每道工序加工先后的順序問題。通過關鍵字After, Before來定義本工序的緊前工序和緊后工序，便于計算機的自動識別及智能化生產。

工序間的邏輯關系分為And Or Join 3種邏輯表達方式，代表可替換工序、工序順序無關及工序關系合并點，可以滿足零件的多加工路線表達，實現車間調度系統的最優化調度與生產。

復雜加工件的物料表達。對于某些復雜加工件來說，傳統的工藝設計系統會通過在工序內容中添加說明文字來指導車間工藝員的生產，生產中必須有人的手工千預才能完成零件的加工生產，大大影響生產的效率。本文通過輸人物料、輸出物料、物料間的動作及動作類型來描述零件的工序內容，如圖6為焊接件加工的物料表達方法。

圖6 焊接件加工物料表達方法

圖6中，輸入物料即待加工的零件物料為焊接部件1和焊接部件2，輸出物料即加工后生成的零件為焊接部件3,輸人物料通過物料間的動作(即焊接，在焊接件的基本屬性中會列出)轉變成為輸出物料，由此整個焊接件的加工過程可以用計算機結構化地表達出來，解決了傳統CAPP系統只能用文字描述復雜件加工方法的難題。

3多工藝路線模型在CAPP中的實現

3.1系統功能結構模型

作者所在課題組針對某企業的需求，在PDM平臺下開發了面向制造執行的工藝設計與管理系統(Integrated Process Planning and Management，簡稱IPPM)，根據企業工藝系統工藝設計與管理的業務流程，整個工藝設計與管理系統是在企業局域網的網絡環境下，以多用戶客戶/服務器模式運行。

圖7 工藝設計與管理系統框架圖

系統的工藝處工藝分系統是以BOM的形式來對產品進行數據管理，企業的工藝處工藝分系統接收設計所的產品設計f30M及設計信息，在此基礎上進行相應的工藝計劃分工后，零件的設計信息及分工信息下發到車間工藝分系統，進行工藝規程的編制與信息的輸出，實現與MES系統的集成。

3. 2多工藝路線在IPPM中的實現

本文闡述的基于工藝過程信息模型的多工藝路線表達方法，同時用工藝設計與管理系統IPPM的工藝規程編制模塊進行模型的可視化及與MES集成實例化驗證，圖8為多工藝路線的樹結構表達，可以直觀地看到多工藝路線包含的所有工序及工序的屬性信息和資源信息。

樹結構中各工序間沒有加工順序的限制，順序以及邏輯關系可以通過IPPM的圖形化模塊表達。

4結語

本文系統研究了基于PSL進行工藝過程信息建模的技術，提出了面向制造執行的工藝過程模型，并以此模型為基礎設計開發了集成化工藝設計與管理系統〔IPPM)，實現支持多工藝路線可視化表達的柔性工藝設計技術，解決了工廠實際生產中面臨的車間調度柔性不夠與工序物料表達不完整的問題，為LAPP與MES、ERP等生產制造系統的集成奠定了堅實的基礎。